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基于嵌入式的環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要：為提高環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，實現(xiàn)國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)的自主化設(shè)計，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)包括控制器、測控模塊，其中控制器以ARMCortex-A9四核微處理器為核心，負責(zé)人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制;測控模塊以LPC1758為核心，采用24位高精度ADC，負責(zé)設(shè)備整機參數(shù)的采集;I/O模塊包含多路繼電器輸出與晶體管輸出，集成了電子膨脹閥控制輸出。該控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性滿足環(huán)境試驗設(shè)備的控制要求，更為環(huán)境試驗設(shè)備的發(fā)展與升級提供了良好的硬件基礎(chǔ)，具有相當(dāng)大的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：環(huán)境試驗設(shè)備;測控模塊;ARM Cortex-A9;控制器
引言
環(huán)境試驗設(shè)備是一種根據(jù)設(shè)計不同，而具備模擬一種或多種綜合環(huán)境氣候功能的自動化設(shè)備，為各種環(huán)境試驗的實現(xiàn)提供了高效可靠途徑。企業(yè)或機構(gòu)在產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、制造過程中，可通過環(huán)境試驗設(shè)備對材料、零部件或產(chǎn)品整機進行各種環(huán)境試驗，如高溫、高濕、鹽霧、砂塵、雨淋、凝露等環(huán)境試驗，有效地驗證材料或產(chǎn)品是否達到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的質(zhì)量與可靠性。因此，環(huán)境試驗設(shè)備是大多數(shù)企業(yè)與機構(gòu)驗證材料或產(chǎn)品可靠性所必不可少的設(shè)備。
控制系統(tǒng)作為環(huán)境試驗設(shè)備的最核心組成部分，它的控制精度直接影響到該設(shè)備所做環(huán)境試驗的準(zhǔn)確性與可信性。目前環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)的應(yīng)用型式主要分為通用型與專用型。其中通用型控制系統(tǒng)指的是，傳統(tǒng)的人機界面(HMI)與可編程控制器(PLC)的組合控制方式，或工業(yè)PC組態(tài)軟件與PLC的組合控制方式：專用型控制器指的是，針對不同環(huán)境試驗設(shè)備的控制特性開發(fā)出來的專用控制器。國內(nèi)專用型環(huán)境設(shè)備控制器領(lǐng)域相對國外較為空白，這也是造成國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備精度與穩(wěn)定性普遍不如國外環(huán)境設(shè)備的主要原因，因此專用型控制器的研發(fā)對國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備的發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。
一、設(shè)計原理
本文中的環(huán)境設(shè)備控制系統(tǒng)，主要面向溫度類環(huán)境試驗設(shè)備，如高溫試驗箱、高低溫試驗箱、冷熱沖擊試驗箱、恒溫恒濕箱、濕熱箱等。而溫度類環(huán)境試驗設(shè)備通常由主箱體、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。
其中整個設(shè)備的主要控制對象包括：制冷系統(tǒng)中的制冷壓縮機、電子膨脹閥及控制冷量排放的電磁閥：風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的離心風(fēng)機：加熱系統(tǒng)中的固態(tài)繼電器與交流接觸器。
整個設(shè)備的主要測量參數(shù)包括：制冷系統(tǒng)中的壓縮機排氣回氣的溫度與壓力、冷凝器出口溫度、蒸發(fā)器出入口溫度、壓縮機工作電流電壓值：風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)中的風(fēng)機溫度、工作電流電壓值：加熱系統(tǒng)中的電加熱器的工作電壓電流值：箱內(nèi)的溫濕度等。
在上述測量參數(shù)中，部分參數(shù)與設(shè)備的控制過程并無直接關(guān)系，如壓縮機與風(fēng)機的工作電壓電流、風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)速等。但是，隨著現(xiàn)代科技工業(yè)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，在航天、航空、工業(yè)應(yīng)用等各個領(lǐng)域的設(shè)備與系統(tǒng)對可靠性、安全性與經(jīng)濟性的要求越來越高，促使故障預(yù)測和健康管理(Prognostics and Health Management，PHM) 逐漸成為工業(yè)設(shè)備的主流發(fā)展方向之一。但是PHM系統(tǒng)是需要建立在全面監(jiān)測設(shè)備的運行狀況的基礎(chǔ)上，而使用通用型PLC控制系統(tǒng)的情況下，過多的參數(shù)采集意味著PLC模塊的增加，不但提高了設(shè)備的制造成本，也讓設(shè)備控制系統(tǒng)的體積變得臃腫。為此，本文提出了一種基于嵌入式的控制系統(tǒng)，通過利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)自由度高、成本低、針對性強、實時性高、集成度高的方案，實現(xiàn)設(shè)備的整機運行參數(shù)監(jiān)控：且更易實現(xiàn)復(fù)雜的算法運算，提高設(shè)備的控制精度與穩(wěn)定性，如設(shè)備的模糊PID控制算法，防脈沖干擾平均濾波、限幅平均濾波法等數(shù)字濾波算法。
二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
控制系統(tǒng)由控制器與測控模塊組成：其中測控模塊包括I/O模塊與測量模塊，均采用模塊化設(shè)計，針對設(shè)備所需的配置進行模塊式增減：而控制器僅需針對不同配置的設(shè)備作出相應(yīng)的軟件設(shè)置或調(diào)整。這樣不僅能低成本地采集設(shè)備整機運行參數(shù)：又能提高控制系統(tǒng)的集成度，減小控制模塊的體積。控制系統(tǒng)硬件框架如圖2所示，控制器獲得測量模塊將所采集設(shè)備整機參數(shù)后，根據(jù)控制設(shè)定對I/O模塊進行I/O與PID控制輸出。
控制器與I/O模塊、測量模塊間采用基于485接口Modbus協(xié)議的通訊方式。由于Modbus總線廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能高低壓電器、變送器、可編程控制器、人機界面、變頻器、現(xiàn)場智能設(shè)備等諸多領(lǐng)域，因此，使得控制器與I/O模塊、測量模塊擁有極大的可擴展性與獨立成為產(chǎn)品的可能性。
2.1控制器硬件設(shè)計
本嵌入式控制器是基于ARMCortex-A9四核微處理器的硬件開發(fā)平臺，主要負責(zé)控制系統(tǒng)中人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制。硬件平臺采用的Exynos4412處理器擁有高性能的數(shù)據(jù)處理能力以及較為完備的硬件接口，為構(gòu)建Linux嵌入式系統(tǒng)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。控制器硬件開發(fā)平臺的功能框圖如圖3所示，板載WIFI、3G模塊、10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡、10.1寸觸摸LCD、4路USBHOST等。
硬件平臺支持從eMMC或SD卡啟動，eMMC用于燒寫系統(tǒng)鏡像，因此控制器上電后默認從eMMC啟動：而SD卡啟動功能可與USB OTG配合實現(xiàn)快速升級固件及系統(tǒng)軟件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等網(wǎng)絡(luò)接口均用于不同情況下控制器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，為實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制、遠程故障預(yù)警或報警、專家遠程故障診斷等新型應(yīng)用提供了硬件支持。
為了保證控制器能與測控板實現(xiàn)高速實時可靠的通訊，本控制器兩路RS485通訊電路設(shè)計均基于ADM2483。ADM2483是集成通訊隔離的RS485收發(fā)器件，最高通訊速率可達500kbps，在保證通訊速率與抗干擾能力的前提下，避免了采用光耦隔離設(shè)計需占用較大PCB布局面積的情況。且ADM2483采用了限擺率設(shè)計，把壓擺率降控制在一個適當(dāng)?shù)乃�，能降低不恰�?dāng)?shù)慕K端匹配與接頭產(chǎn)生的誤碼。而通訊模塊的接口電路則采用了限流限壓的設(shè)計，如圖5所示，穩(wěn)壓管Dl、D2與自恢復(fù)保險絲PTC1與PTC2對接口電路形成了一個有效的保護，提高了485通訊模塊的電氣可靠性。
2.2測控模塊硬件設(shè)計
測控模塊硬件框圖如圖6所示，以LPC1758為核心，負責(zé)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集、I/O地址譯碼與I/O的控制：設(shè)備的相關(guān)溫度、電流、電壓、濕度、壓力等參數(shù)經(jīng)過采集電路后，再經(jīng)LPC1758進行數(shù)字濾波后，存儲到FLASH中：控制器可通過RS485與LPC1758通訊，讀取所需參數(shù)用于邏輯運算，運算后再將I/O控制命令下達到LPC1758執(zhí)行。I/O電路包括晶體管輸出、繼電器輸出與特殊應(yīng)用輸出，如電子膨脹閥控制I/O、變頻器控制I/O等。
其中濾波采樣電路中采用的M axim的單通道2 4位ADCMAX11210。該ADC集成了模擬和參考輸入緩沖放大器，并提供四個GPIO口，可用于控制一個外部16通道模擬開關(guān)，令MAX11210有效地對16通道的模擬信號進行采集，降低了LPC1758的I/O資源負擔(dān)。采樣電路框圖如圖7所示。
最后，為了保證I/O電路的準(zhǔn)確性與可靠性，硬件電路中增加了I/O狀態(tài)檢測設(shè)計。對于輸出點，I/O狀態(tài)檢測電路將輸出狀態(tài)生成對應(yīng)的Output序列信號，當(dāng)控制器改變輸出狀態(tài)的命令發(fā)送到LPC1758并執(zhí)行后，輸出點狀態(tài)改變，LPC1758將改變后的Output序列信號與控制器下發(fā)的輸出命令進行對比，以確保輸出的準(zhǔn)確性;而對于輸入點，則生產(chǎn)對應(yīng)的Input序列信號，當(dāng)輸入狀態(tài)改變后，LPC1758通過比較實際的輸入狀態(tài)與Input序列信號，可判斷輸入端電路是否發(fā)生錯誤。
三、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
為滿足控制器多硬件接口、多軟件程序應(yīng)用開發(fā)、多文件操作、系統(tǒng)定制等要求，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用程序有人機界面程序、數(shù)據(jù)處理程序、軟PLC程序，如圖7所示。其中人機界面程序是由Windows環(huán)境下運行的圖形化軟件通過圖元、控件以及宏命令組合生成，可通過USB導(dǎo)入到控制器以實現(xiàn)人機界面的更新。數(shù)據(jù)處理程序主要負責(zé)設(shè)備工控記錄、PID運算、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等功能。軟PLC程序則是由德國Infoteam OpenPCS軟件開發(fā)，支持ST、IL、SFC、FBD、LD、CFC六種IEC語言，負責(zé)I/O邏輯運算。
由于測控模塊不需要過多的應(yīng)用程序與圖形界面，因此選擇了相對Linux嵌入式操作系統(tǒng)機構(gòu)要小巧的多的uC/OS-II。該系統(tǒng)功能豐富，涵蓋了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能。主要應(yīng)用程序有數(shù)據(jù)采集程序，I/O檢測程序，I/O控制程序。整個I/O的控制流程如圖9所示。若出現(xiàn)I/O電路錯誤報警，用戶可選擇將設(shè)備斷電重啟或請求技術(shù)支持。
四、結(jié)束語
本文設(shè)計的嵌入式環(huán)境試驗設(shè)備控制系統(tǒng)，其控制器與測控模塊均具有成本低、集成度高、精度高、可拓展性強等優(yōu)點，可在一定程度上改善環(huán)境試驗設(shè)備批量小、品種多等特點對設(shè)計與生產(chǎn)造成的不良影響。且通過充分利用我公司生產(chǎn)環(huán)境試驗設(shè)備的優(yōu)勢，可不斷通過環(huán)境試驗改善控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。該控制系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用在我公司的標(biāo)準(zhǔn)化系列環(huán)境設(shè)備上，控制精度與穩(wěn)定性均達到了國內(nèi)先進水平，且硬件配置豐富，具有良好的拓展能力。
在外回路電壓控制器設(shè)計上，為減少控制器信號與乘法器信號受120Hz輸出電壓的影響，降低了功率因數(shù)的性能，所以外回路系統(tǒng)的頻寬通常設(shè)計在10Hz～20Hz之間。因此，在負載變動時，輸出電壓很難恢復(fù)至穩(wěn)壓狀態(tài)。本文利用負載電流注入法將負載電流狀態(tài)作為控制反饋，以改善輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。負載電流注入法是將負載電流接入控制回路，當(dāng)負載發(fā)生變動時，立刻產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)輸入電流的參考信號，改善外回路電壓控制器緩慢的動態(tài)響應(yīng)。
五、數(shù)字控制系統(tǒng)試驗驗證
以1 6位數(shù)字信號處理器DsPIC30F4011為基礎(chǔ)，完成數(shù)字控制高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。在試驗驗證過程中，輸入電壓90―130Vrms、輸出電壓312V、最大輸出功率450W的高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器。試驗測量結(jié)果如下：
圖9為輸入電壓llOVVrms、輸出功率450W時，輸入電壓Kin和電流iin的實際波型，利用萬用表測量的功率因數(shù)值為0.968，說明了該設(shè)計系統(tǒng)的高功率因數(shù)特性。
隨后，對系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)壓性能進行測試，針對輸入電壓從110V變動到130V，再從110V變到90V，輸出的電壓響應(yīng)如圖lO(a)。當(dāng)負載從250W變動到450W時，輸出的電壓響應(yīng)如圖lO(b)。當(dāng)額外加入負載電流且負載變動同時發(fā)生時，輸出的電壓響應(yīng)如圖lO(c)。比較圖lO(b)和lO(c).圖lO(c)的輸出電壓變動較小時，負載電流注入法具有較高的穩(wěn)壓效果。當(dāng)Vin=110Vrms時，針對不同輸出功率，測得高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)曲線如圖ll(a)所示，在Po=450W時，功率因數(shù)最高可達0.966。針對不同輸出功率，測量高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的效率曲線如圖ll(b)所示，在P0=450W時，效率最高可達92.2%。
六、結(jié)論
本文以升壓型轉(zhuǎn)換器為AC/DC功率因數(shù)校正整流器的基本結(jié)構(gòu)，以數(shù)字信號處理器DsPIC30F4011為控制核心，應(yīng)用主動式功率因數(shù)校正技術(shù)的平均電流控制法，使平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以提高功率因數(shù)性能。利用負載電流注入控制法，改善輸出電壓動態(tài)響應(yīng)較慢的缺點。最后設(shè)計輸出功率為450W的高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器并進行試驗，試驗結(jié)果表明，該功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器符合電流諧波的高功率因數(shù)特性，并且在輸入電壓幅值變動及負載變動時，輸出具有良好的穩(wěn)壓特性。
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